英特爾宣佈突破性電晶體技術 推動電腦晶片 40 年來最大改變

chip123

英特爾製成首款 45 奈米電晶體之處理器原型 (prototype) 加速邁向多核心運算時代
* s4 l  V) D0 w9 B" H) u- X6 Y0 H
英特爾公司於今日宣佈一項重大的基礎電晶體設計突破，以兩種全新材料製作 45 奈米 (nm) 電晶體絕緣層 (insulating wall) 和開關閘極 (switching gate) 。下一代 Intel® Core™ 2 Duo （ Intel® 酷睿 ™ 2 雙核心處理器）、 Intel® Core™ 2 Quad （ Intel® 酷睿 ™2 四核心處理器）和 Xeon® 多核心處理器系列，將使用上億個這種超小型電晶體（或開關）。英特爾亦表示，該公司正在試產及測試五款初期版本產品，也是 15 款 45 奈米處理器產品計畫中的第一批。
8 O8 s: g2 {, I" P/ k# n
6 f& j+ [% @" u* s新型電晶體將讓英特爾的個人電腦、筆記型電腦和伺服器處理器執行速度持續突破紀錄，並減少電晶體漏電 (electrical leakage) ，漏電會阻礙晶片和個人電腦的設計、大小、耗電量、雜訊與成本的開發。今日的宣佈也將確保摩爾定律 (Moore’s Law) – 即電晶體數目每兩年就會倍增的高科技產業定律 – 可以再延續到未來十年。
/ R7 }  g0 L* J& d/ N5 v
英特爾相信該公司技術已持續領先其他半導體業者一年以上，並率先推出首款代號為 “Penryn” 之新一代 45 奈米產品系列處理器原型樣品 (working processor) 。首批產品目標將鎖定五大電腦市場，並可執行 Windows* Vista* 、 Mac OS X* 、 Windows* XP 和 Linux 作業系統以及各種應用程式。英特爾依照計畫，將於今年下半年進行 45 奈米產品的量產。   

( l3 f7 f+ G- a# i* ~$ g0 J英特爾 45 奈米電晶體採用 high-k 材料和金屬閘極
- I/ R% f5 T7 b7 s- _
/ d) G0 O; D- }* I; }5 ]2 Q英特爾領先業界，採用全新材料組合製作 45 奈米產品，大幅降低漏電同時提升效能。英特爾將採用被稱為 high-k 的新材料來製作電晶體閘極電介質 (transistor gate dielectric) ，而電晶體閘極的電極 (transistor gate electrode) 也將搭配採用新的金屬材料組合。
: k8 ?7 _5 x4 T0 k
英特爾創辦人之一摩爾 (Gordon Moore) 表示：「採用 high-k 和新金屬材料，代表著自 1960 年代後期金屬氧化半導體 (MOS) 引進多晶矽 (polysilicon) 閘極以來，電晶體技術所面臨的最大改變。」。
/ }+ h# D2 G$ g( [& I1 l8 S
電晶體就是超小型開關，負責處理數位世界的 0 和 1 。閘極負責開啟和關閉電晶體，而閘極電介質則是閘極下的絕緣層，隔離閘極和電流流動的通路。金屬閘極和 high-k 閘極電介質的組合可產出漏電極低且效能突破紀錄的電晶體。

英特爾資深研究院士 (Intel Senior Fellow) 波爾 (Mark Bohr) 指出：「由於單一矽晶片上的電晶體數量愈來愈多，業界持續在研究減少漏電的解決方案。英特爾的工程師和設計師在此展現卓越成果，確保英特爾產品和創新的領導地位。英特爾的 45 奈米製程技術採用創新的 high-k 和金屬閘極電晶體，因此能提供更快、耗電更少的多核心產品，持續強化我們成功的 Intel Core 2 和 Xeon 系列處理器產品，並使摩爾定律得以再延展十年。」

0 I+ W: p$ \3 ?! u' N7 p) O7 }如果與實際物體進行比較， 400 個英特爾 45 奈米電晶體約等同於人類單一紅血球的表面積。僅僅十年前，最先進的製程採用的是 250 奈米 ( 等於 0.25 微米 ) ，製造出來的電晶體大小約為英特爾今天宣佈新技術大小的 5.5 倍，體積更達 30 倍之多。

7 n5 V; Y- c6 x0 @$ [根據摩爾定律，晶片上的電晶體數目約每兩年倍增，因此英特爾能透過創新和整合，加入更多功能和運算核心、提升效能、並降低生產成本和每顆電晶體的成本。為了維持創新速度，電晶體必須不斷縮小。但如果繼續採用現今的材料，再縮小電晶體時就會遇上極限 – 當電晶體已經縮到原子大小的尺寸時，耗電和散熱會增加。為持續推動摩爾定律以及因應資訊時代的經濟需求，必須要採用新材料。
  
英特爾 45 奈米製程之 high-k 和金屬閘極的組成
% Q2 `( D' Z4 R, V3 m% l
由於二氧化矽具有易製性 (manufacturability) ，且能夠減少厚度以持續改善電晶體效能，因此過去 40 餘年來都採用二氧化矽做為製作閘極電介質的材料。英特爾的 65 奈米製程已成功將二氧化矽閘極電介質厚度降低到 1.2 奈米 – 相當於 5 層原子，但厚度減少導致閘極電介質的漏電增加，產生電流浪費和不必要的熱能增加的情形。
7 f  M: Z3 F- o0 h/ f( ~) m, Z
業界認為隨著二氧化矽閘極電介質厚度減少所引發的電晶體閘極漏電增加情形，是摩爾定律面臨的最大技術挑戰。為了解決這個關鍵問題，英特爾以較厚的 high-k 材料（以鉿 (hafnium) 元素 為基礎），取代沿用至今已超過 40 年的二氧化矽作為閘極電介質，使漏電量降低 10 倍以上。
* K, X9 N  x. g
由於 high-k 閘極電介質和現有矽閘極並不相容，英特爾的 45 奈米電晶體設計也必須開發新金屬閘極材料。雖然新金屬的細節仍是商業機密，但英特爾的新電晶體閘極將使用不同金屬材料的組合。
7 C, m% k1 @- ~4 F. v7 N
& k2 ?9 b' G# @, k$ Z& X; {英特爾的 45 奈米製程採用 high-k 閘極電介質和金屬閘極，能增加驅動電流 20% 以上，等於提升電晶體效能。源極 - 汲極 (source-drain) 漏電則減少五倍以上，改善電晶體耗電量。
0 L0 v, v2 k$ P  i$ }% p
6 Y  F2 [# W8 R! K* d6 w與前一代技術相較，英特爾的 45 奈米製程也改善電晶體密度近兩倍，因此英特爾得以增加處理器之電晶體總數，或縮小處理器體積。因為 45 奈米電晶體比前一代製品更小，開關時所需電力更低，因此在開關運作時耗電量減少近 30% 。英特爾將在 45 奈米的內部連接線 (interconnects) 採用銅線搭配 low-k 電介質，以提升效能並降低耗電量。英特爾也將使用創新設計法則和先進光罩技術，將 193 奈米乾式微影技術 ( dry lithography) 延伸應用在 45 奈米處理器上，以善用其成本優勢和高易製性。   

Penryn 系列處理器電源管理效能更為精進
3 K1 {  D" w, U7 B
       Penryn 系列處理器衍生自 Intel Core 微架構，也代表引領進入英特爾每隔一年提供新製程技術和新微架構的快速發展時程。英特爾採領先業界的 45 奈米製程、量產能力和先進的微架構設計，率先發展出第一個 45 奈米 Penryn 處理器原型樣品。

英特爾正在開發 15 款以上的 45 奈米產品，範圍涵蓋桌上型電腦、筆記型電腦、工作站和企業市場。 45 奈米製程的 Penryn 處理器系列，其雙核心處理器內建超過 4 億個電晶體，四核心處理器更超過 8 億個電晶體，內含新微架構功能，可提升效能和電源管理功能、帶來更高的核心運算速度、以及高達 12 MB 的快取記憶體。 Penryn 系列設計也包括約 50 種新的 Intel SSE4 指令，擴充執行多媒體和高效能運算應用時的能力和性能。
) `0 T3 L' ]2 m6 k, S% {（註： 亦請參考英特爾 ”Manufacturing” 線上頻道 http://intel.feedroom.com 中，有關英特爾工程師和設計師的訪談實錄）

chip123

英特爾45奈米技術大幅增進電晶體設計
% _5 B  T, h, C" x- p# w
自1947年電晶體發明迄今，科技進步的速度驚人，催生了功能更為先進強大，又能兼顧成本效益和耗電量的產品。雖然科技進展迅速，但電晶體產生的廢熱和漏電仍是縮小設計及延續摩爾定律 (Moore’s Law) 的最大障礙。因此業界必須以新材料取代過去40年來製作電晶體的材料亦不足為奇。

  K# i; c3 K! ^3 J4 x5 \, p有鑑於此，英特爾公司針對新45奈米 (nm) 電晶體開發出突破性材料組合，以便生產漏電極低且效能極高的電晶體。透過首顆採45奈米製程的處理器 –屬於為新世代Intel® Core™ 2 和 Xeon® 處理器系列所發展之“Penryn”系列的原型樣品 – 英特爾成功解決了妨礙摩爾定律進步的障礙。這將催生出低耗電、低成本、高效能的運算產品，從筆記型電腦、行動裝置到桌上型個人電腦和伺服器等一應俱全。
) n: M* g0 K% Z) \. u; C; z
在慶祝電晶體誕生60週年之際，讓我們一同回顧電晶體的歷史和重要里程碑，以及英特爾的45奈米創新，將如何引領新半導體技術和摩爾定律如何邁入下一個十年。
4 y+ p  A6 z* f/ X! B! m
•1947年12月16日：貝爾實驗室 (Bell Labs) 的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功製成第一個電晶體。
& F4 n; n. w1 l
•1950年：William Shockley開發出雙極性接面電晶體 (bipolar junction transistor)，也就是現在俗稱的電晶體。

9 i! B5 }# z! Q# G3 [•1953年：第一種採用電晶體的商業化裝置上市 – 助聽器。  

' V4 C* i! e) g, [, I6 ^, @, U•1954年10月18日：第一台電晶體收音機Regency TR1問世，採用四顆鍺電晶體。  
+ T( D& ~" ?  l2 o$ x" q
•1961年4月25日： Robert Noyce(英特爾公司創辦人之一)獲得首件積體電路專利。原始電晶體設計足以應付收音機和電話之需要，但新型電子設備需要更小的設計 – 也就是積體電路。
/ Y. \! h/ J/ j3 s. L! l: ^5 |
2 d! ]) l! q. I$ t6 \•1965年：摩爾定律誕生。摩爾 (Gordon Moore，英特爾公司創辦人之一) 為電子雜誌 (Electronics Magazine) 撰文預測晶片上的電晶體數目未來將約每年倍增（之後十年改為每兩年倍增）。

•1968年7月：Robert Noyce和Gordon Moore從快捷半導體 (Fairchild Semiconductor) 公司離職，創立英特爾 (Intel) 公司，Intel是積體電子(integrated electronics) 的縮寫。

•1969年：英特爾率先成功開發PMOS矽閘極電晶體技術。這些電晶體繼續使用傳統的二氧化矽 (SiO2) 閘極電介質(gate dielectric)，但引進新多晶矽 (polysilicon) 閘極技術。

- H/ v" O; i( K5 E% b. f4 R. R- H1 {•1971年：英特爾推出第一個微處理器4004。1/8 x 1/16英吋大小的4004內含2,000餘顆電晶體，以英特爾的10微米(micron) PMOS技術製成。

•1978年：16位元的英特爾8088微處理器推出，內含29,000顆電晶體，執行速度為5MHz、8MHz和10MHz。8088於1981年成功銷售給IBM的新個人電腦部門，這項關鍵性的交易使Intel 8088微處理器成為IBM新熱門產品 – IBM個人電腦(IBM PC)的頭腦。8088的成功使英特爾成為財星雜誌Fortune 500大公司之一，該雜誌也推舉英特爾是「1970年代商業成功典範」之一。  

3 I0 w3 k/ c* O& x•1982年：286微處理器（又稱80286）問世。該顆16位元的英特爾處理器可執行針對其前身編寫的所有軟體。286處理器使用134,000顆電晶體，執行速度包括6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz不同等級。
7 D- D+ z6 N* I; r0 C) P+ I
! w) y& ?' Y9 ]) q•1985年：Intel386™微處理器問世，內含用275,000顆電晶體 – 數量超過原始4004所含電晶體的一百倍。這顆32位元處理器有多工能力，表示它能同時執行多個程式。
, X1 R+ D1 R8 b  v  a
•1993年：Intel® Pentium®處理器推出，含有300萬顆電晶體，採英特爾0.8微米製程。

•1999年2月：英特爾推出Pentium® III處理器 – 1x1英吋平方的矽晶片內含超過950萬顆電晶體，採英特爾0.18微米製程。
+ {& f0 {, n1 D6 u& y6 W
5 _& x8 w1 q3 _! W) u3 R: _; B7 Y3 [•2002年1月：針對高性能桌上型個人電腦，英特爾推出最新版Intel Pentium 4處理器，時脈達每秒22億次。採英特爾0.13毫米製程，含5,500萬顆電晶體。

, c, Y5 r9 G1 R' Q0 l•2002年8月13日：英特爾宣佈數種90奈米製程技術突破，包括效能更高且耗電更低的電晶體、應變型矽晶 (strained silicon)、高速銅製內部連結線(high-speed copper interconnects)與新型low-k電介質。這是業界首度採用應變型矽晶的製程。

•2003年3月12日：為筆記型電腦設計的Intel® Centrino®（迅馳™)行動運算技術平台誕生，內含英特爾最新的行動運算處理器Intel Pentium M處理器。該處理器以新行動運算微架構為基礎，採英特爾0.13微米製程，包括7,700萬顆電晶體。

& u3 Z2 r* @( E0 x+ ~•2005年5月26日：英特爾推出首顆針對主流市場所設計的雙核心處理器 – Intel Pentium D處理器 – 內含2億3千萬顆電晶體，採英特爾90奈米製程。

* L$ {  c- u' r4 a  {( j5 \5 ~•2006年7月18日：英特爾推出雙核心Intel® Itanium® 2處理器，採用業界至今最精密的設計，內含超過17億2千萬顆電晶體。採英特爾90奈米製程。

•2006年7月27日 – 全球最佳處理器 – Intel® Core™ 2 Duo（Intel® 酷睿™ 2 雙核心處理器）問世。該處理器內含超過2億9千萬顆電晶體，由全球最先進的實驗室以英特爾65奈米製程生產。
3 d: `2 e! ~5 l( M- q
$ ~7 L" |+ t* L2 M1 _•2006年9月26日 – 英特爾宣佈開發超過15種採用45奈米製程的產品，涵蓋桌上型電腦、筆記型電腦和企業市場。這些產品屬於衍生自Intel® Core™微架構的 “Penryn”產品系列。

* o7 Z" _: j# Q0 I: J•2007年1月8日：將四核心個人電腦銷售延伸至主流市場。英特爾推出針對桌上型電腦設計之65奈米Intel® Core™2 Quad（Intel® 酷睿™2 四核心）處理器，以及兩種四核心之伺服器處理器。Intel Core 2 Quad處理器內含超過5億8千萬顆電晶體。
0 ^2 Z2 ]& R2 P6 r
0 a; h: V' _( a  ]•2007年1月27日：英特爾宣佈電晶體材料的最新突破 – high-k和金屬閘極。下一代Intel Core 2 雙核心處理器、Intel Core 2 四核心處理器和Xeon®處理器等多核心處理器 –– 將含數億顆45奈米電晶體，電晶體的絕緣層和開關閘極將採用這些全新材料。此系列產品的開發代號為Penryn。英特爾已成功生產採用這些先進電晶體的45奈米微處理器原型。

chip123

一米（公尺）相當於十億奈米。一米也相當於約三英呎。
6 t+ G, W9 l3 e7 t) Z0 d0 ]. w
貝爾實驗室 (Bell Labs) 在1947年製成的第一顆電晶體大到可以握在手中，而數百顆英特爾新型45奈米電晶體加起來只有一個紅血球細胞的表面積那麼丁點大。
: s/ Y6 {  i; x; {1 h& j* i1 `
1 J6 [# v! b1 m7 M: w* C1 w如果房屋縮小的速度和電晶體一樣，現在得用顯微鏡才能看的到房屋。要看到45奈米電晶體，您需要非常先進的顯微鏡。

代號為Penryn的英特爾下一代處理器裡，每顆電晶體的平均價格約只有1968年每顆電晶體價格的百萬分之一。如果汽車降價也這麼快速，現在的汽車要價一輛只要一美分。

兩千多顆45奈米電晶體加起來才相當於人類一根毛髮的寬度。

三萬餘顆45奈米電晶體加起來只有針頭大小，也就是體積約150萬奈米左右。
  R; i( w# B  ^/ h0 l8 `
. c: v7 ?: n' `1 c兩千餘顆45奈米電晶體只有句點那麼大（直徑約0.1毫米或十萬奈米）。
" G! R6 I# J4 i& ?. N
一顆45奈米電晶體每秒可開關約三千億次。在一顆45奈米電晶體開關一次的期間內，光線行經的距離還不到1/10英吋。
# p0 ~7 B3 B+ x! X7 A) `6 ~
0 r, B" C" N& _; J, l, Z# k. w45奈米大小比較
$ V% ]) _" }7 g/ h1 G% O0 {9 A
' Z3 ~3 W  K# a3 W+ g+ so釘子 = 2千萬奈米
o一根人類毛髮 = 9萬奈米
o豕草花粉(Ragweed pollen) = 2萬奈米
0 S) p2 S3 ?' a3 `o細菌 = 2,000奈米
o英特爾45奈米電晶體 = 45奈米
o鼻病毒(Rhinovirus引起流行性感冒的病毒之一) = 20奈米
o矽原子 = 0.24奈米